JP2016111089A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減させた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、少なくとも１つの主面に放熱部材１３が接合された半導体素子１２を、放熱部材１３の一部を露出させて封止した半導体モジュール１０と、放熱部材１３の露出部を含む半導体モジュール１０の放熱面に一方表面が接合される絶縁樹脂シート１４と、絶縁樹脂シート１４の半導体モジュール１０が接合されていない他方表面に接合される冷却器１５とを備えている。この絶縁樹脂シート１４の側面の外側、かつ、半導体モジュール１０の放熱面と冷却器１５との間には、絶縁樹脂シート１４よりもヤング率が低い接着部材１７が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を封止した半導体モジュールと、当該半導体素子を冷却する冷却器とを備えた半導体装置に関する。

半導体装置として、半導体素子に、放熱部材、絶縁樹脂シート、および冷却器が、順に接合された構造が知られている。半導体素子および放熱部材は、樹脂部材で封止されて半導体モジュールとしてパッケージ化されている。例えば、特許文献１を参照。

上記構造のような半導体装置では、半導体モジュールのモールドパッケージから露出した放熱部材の箇所と冷却器との接合を、例えばヒータープレス処理で行っている。このヒータープレス処理では、絶縁樹脂シートを挟んで、半導体モジュールの放熱部材と冷却器とを合わせ、この間に熱および圧力を加える。これにより、絶縁樹脂シートが接着硬化し、放熱部材と冷却器とが接合される。

特開２０１３−２１１２９９号公報

ヒータープレス処理では、加圧によって冷却器が受ける荷重が冷却器の端部に集中してしまう現象が生じる。このため、ヒータープレス処理後に圧力が解放されても、冷却器の端部に内部応力が蓄積された状態となる。この内部応力は、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）を発生させるおそれがある。

上記特許文献１の半導体装置では、中央部の無機成分の濃度よりも端部の無機成分の濃度を低くした特別な絶縁樹脂シートを用いて、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）の発生を抑制している。しかしながら、この中央部と端部とで無機成分の濃度を異ならせた特別な絶縁樹脂シートは、作成が難しい。

本発明は、上記課題に鑑みて、特別な絶縁樹脂シートを用いることなく、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減させた半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、少なくとも１つの主面に放熱部材が接合された半導体素子を、当該放熱部材の一部を露出させて封止した半導体モジュールと、放熱部材の露出部を含む半導体モジュールの放熱面に一方表面が接合される絶縁樹脂シートと、絶縁樹脂シートの半導体モジュールが接合されていない他方表面に接合される冷却器とを備え、絶縁樹脂シートの側面の外側、かつ、半導体モジュールの放熱面と冷却器との間に、絶縁樹脂シートよりもヤング率が低い接着部材が設けられていることを特徴とする。

この本発明の半導体装置によれば、絶縁樹脂シートの側面の外側に接着部材を設けている。そして、この接着部材のヤング率を、絶縁樹脂シートのヤング率よりも小さくしている。これにより、冷却器の変形に伴う絶縁樹脂シートにかかる応力を、低減させることができる。従って、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

以上述べたように、本発明の半導体装置によれば、特別な絶縁樹脂シートを用いることなく、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の全体構造の断面を示す概略図 本実施形態に係る半導体装置を製造する方法を説明する図 本実施形態に係る半導体装置の変形例を説明する図 本実施形態に係る半導体装置の変形例を説明する図

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置の実施形態について詳細に説明する。

本発明に係る半導体装置は、絶縁樹脂シートの幅方向外側に接着部材を設け、絶縁樹脂シートおよび接着部材の両方で半導体モジュールと冷却器とを接合している。接着部材のヤング率は、絶縁樹脂シートのヤング率よりも小さい。この構造により、冷却器によって絶縁樹脂シートにかかる応力を低減させることができる。従って、本発明に係る半導体装置は、絶縁樹脂シートの剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。

［半導体装置の構造］
図１を参照して、本実施形態に係る半導体装置１の構造を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１の全体構造の断面を示す概略図である。

本実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子１２、複数の放熱板１３、複数の絶縁樹脂シート１４、複数の接着部材１７、複数の冷却器１５を備えている。半導体素子１２の両主面には、それぞれ、放熱板１３、絶縁樹脂シート１４と接着部材１７、および冷却器１５が順に接合されている。以下、この接合の方向を「高さ方向」と表現し、高さ方向と直交する方向を「幅方向」と表現する。また、高さ方向および幅方向において、半導体素子１２に向く側または近づく側を「内側」と、半導体素子１２を背にする側または遠ざかる側を「外側」と、表現する。半導体素子１２および複数の放熱板１３は、例えばエポキシ樹脂などの材料からなる樹脂部材１６によって封止されて、半導体モジュール１０としてパッケージ化されている。

なお、図１に示した半導体装置１の構造は一例である。よって、半導体装置１が備える冷却機構（放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、冷却器１５）は、半導体素子１２の少なくとも一方の主面側にだけ設けられてもよい。また、半導体装置１における各構成の形状や配置（例えば、半導体モジュール１０のパッケージ形状、冷却器１５の形状など）も、本実施形態の図面によって限定されるものではない。

半導体素子１２は、例えばパワートランジスタなどの、動作時に発熱する発熱性を持った半導体素子である。半導体素子１２は、２つの主面を有する略四角平板の形状をしている。半導体素子１２の各主面は、例えば半田などの接合部材やスペーサ部材などを介して、複数の放熱板１３とそれぞれ接合されている。半導体素子１２の端子は、例えば図示しないリード端子などを介して外部の回路基板と電気的に接続されている。

放熱板１３は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導性に優れた材料で構成される放熱部材である。放熱板１３は、２つの表面および表面に接する４つの側面からなる略平板の形状をしている。放熱板１３の一方表面は、半導体素子１２の主面と接合されている。この放熱板１３は、接合している半導体素子１２で発生した熱を冷却器１５に逃がす、いわゆるヒートスプレッダーとしての役割を有する。放熱板１３の他方表面（半導体素子１２が接合されていない表面）は、樹脂部材１６で覆われておらず、半導体モジュール１０のパッケージ外部に露出している。この放熱板１３の半導体モジュール１０のパッケージ外部に露出している部分を、露出部という。

絶縁樹脂シート１４は、例えば高い熱伝導性を有した熱硬化樹脂材料で構成される。絶縁樹脂シート１４は、２つの表面および表面に接する４つの側面からなる略平板の形状をしている。この絶縁樹脂シート１４の一方表面は、放熱板１３の他方表面よりも大きくかつ半導体モジュール１０の表面（放熱面）よりも小さい。絶縁樹脂シート１４は、一方表面が放熱板１３の露出部を覆うように、放熱板１３の他方表面に接合される。具体的には、図１に示す垂直断面視のように、絶縁樹脂シート１４の側面１４ｓの位置を、放熱板１３の側面１３ｓの位置よりも、幅方向外側に設ける。

絶縁樹脂シート１４は、その高い熱伝導性によって放熱板１３の熱を冷却器１５に伝える役割を担う。加えて、絶縁樹脂シート１４は、放熱板１３と冷却器１５とを電気的に絶縁する役割をも担う。高い熱伝導性を有した樹脂としては、フィラーとして高熱伝導セラミックを含有したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを混合させた、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂などが挙げられる。

接着部材１７は、硬化型の接着剤である。接着部材１７は、絶縁樹脂シート１４の側面の外側に設けられ、半導体モジュール１０と冷却器１５とを接着する役割を有する。接着部材１７は、絶縁樹脂シート１４の側面１４ｓの位置と半導体モジュール１０の側面１０ｓの位置との間に設けられる。例えば、図１に示す垂直断面視では、接着部材１７は、絶縁樹脂シート１４の側面１４ｓと離間した位置から、半導体モジュール１０の側面１０ｓよりも幅方向内側の位置までの間に、設けられている。なお、接着部材１７は、絶縁樹脂シート１４の全側面の外側に設けられてもよいし、絶縁樹脂シート１４の一部側面の外側に設けられてもよい。本発明の半導体装置１では、縁樹脂シート１４の少なくとも四隅側面の外側に接着部材１７を設ければ、効果を発揮することができる。

この接着部材１７は、絶縁樹脂シート１４よりもヤング率が低い。例えば、接着部材１７のヤング率は、絶縁樹脂シート１４のヤング率の１／５以下が好ましい。このヤング率を実現させるためには、接着部材１７に、例えばシリコーン系樹脂などの低応力樹脂（１０ＭＰａ程度）を使用したり、混合させるフィラーの濃度を低くしたエポキシ系樹脂（１０ＧＰａ程度）などを使用したりすればよい。また、接着部材１７は、絶縁樹脂シート１４よりも強度が高い。例えば、接着部材１７の強度は、絶縁樹脂シート１４の強度の２倍以上が好ましい。この強度を実現するためには、例えば接着部材１７の樹脂に混合させるフィラーとして、リン片状の粒子（窒化ホウ素など）ではなく、球状の粒子（シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナなど）を使用すればよい。

冷却器１５は、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝導性に優れた材料で構成されるヒートシンクである。この冷却器１５は、２つの表面および表面に接する４つの側面からなる略平板の形状をしている。冷却器１５は、絶縁樹脂シート１４および接着部材１７を覆うことができる大きさの表面を有している。冷却器１５は、一方表面が、絶縁樹脂シート１４の他方表面および接着部材１７に接合される。例えば、図１に示す垂直断面視では、冷却器１５の側面１５ｓの位置を、半導体モジュール１０の側面１０ｓより幅方向外側の位置にしている。冷却器１５は、その優れた熱伝導性によって、接合される半導体モジュール１０（放熱板１３）から絶縁樹脂シート１４を介して伝わる熱を、半導体モジュール１０の外部に放出させる役割を有する。

［半導体装置の製造方法］
図２を参照して、本実施形態に係る半導体装置１を製造する方法を説明する。図２は、本実施形態に係る半導体装置１を製造する手法の一例を説明する図である。

まず、冷却器１５の一方表面上に、絶縁樹脂シート１４を仮接着させる（図２（ａ））。この段階では、絶縁樹脂シート１４は未硬化の状態である。次に、冷却器１５の一方表面上の絶縁樹脂シート１４の側面の外側に、絶縁樹脂シート１４と離間させて接着部材１７を仮接着させる（図２（ｂ））。接着部材１７を仮接着させる手法としては、例えば、液状の接着部材１７をディスペンサーなどで塗布してもよいし、シート状の接着部材１７を貼り付けてもよい。シート状である場合、接着部材１７を絶縁樹脂シート１４と同時に仮接着させることができる。なお、どちらの手法による接着部材１７も、この段階では未硬化の状態である。

次に、半導体素子１２および放熱板１３を樹脂部材１６で封止して、放熱板１３の露出面がモールドパッケージの外部に露出した半導体モジュール１０を準備する（図２（ｃ））。なお、この半導体モジュール１０の作成は、絶縁樹脂シート１４および接着部材１７を仮接着させた冷却器１５を作成する前でも後でもよい。次に、冷却器１５を、絶縁樹脂シート１４および接着部材１７を仮接着させた側を半導体モジュール１０の放熱面とそれぞれ合わせて配置する（図２（ｄ））。そして、半導体モジュール１０と冷却器１５とを合わせた半導体装置１を、１０Ｍｐａ以上による加圧かつ１８０℃近傍での加熱によって、絶縁樹脂シート１４と接着部材１７とを同時に硬化させる（図２（ｅ））。絶縁樹脂シート１４および接着部材１７の硬化が完了すれば、加圧および加熱を終了させる。

以上の処理により、半導体モジュール１０と冷却器１５とが接合された本実施形態に係る半導体装置１が完成する。

［半導体装置の作用および効果］
上述した本実施形態に係る半導体装置１では、絶縁樹脂シート１４の側面の幅方向外側に接着部材１７を設けている。換言すれば、半導体モジュール１０と冷却器１５とを接合させるために間に挿入する樹脂部材を、絶縁樹脂シート１４と接着部材１７とに分けて構成している。そして、接着部材１７のヤング率を、絶縁樹脂シート１４のヤング率よりも小さくしている。これにより、冷却器１５の変形に伴う絶縁樹脂シート１４にかかる応力を、低減させることができる。従って、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。よって、絶縁樹脂シート１４の冷熱耐久性を向上させることができる。

また、上述した本実施形態に係る半導体装置１では、背景技術で説明した特許文献１の半導体装置のように、絶縁樹脂シート１４内のフィラー濃度を変化させる必要がない。このため、絶縁樹脂シート１４におけるフィラー濃度のばらつきも生じない。よって、絶縁樹脂シート１４の放熱性能および絶縁性能が安定するので、冷熱耐久性を向上させることができる。例えば、放熱板１３の露出部で要求される高熱伝導性（７Ｗ／ｍＫ以上）かつ高絶縁性（１ｋＶ以上）という性能を、満足させることができる。

［半導体装置の変形例］
上述した半導体装置１の変形例を、図３および図４を参照して幾つか説明する。

＜変形例１＞
図３（ａ）に、変形例１による半導体装置２の構造断面を示す。この変形例１による半導体装置２では、接着部材１７を設ける位置を、半導体モジュール１０の側部１０ｓまで幅方向外側に広げている。この構造は、接着部材１７の粘度を絶縁樹脂シート１４の粘度よりも低くして、絶縁樹脂シート１４の厚みで半導体モジュール１０と冷却器１５との間隔が定まるようにすることで実現可能である。このようにすれば、製造工程の加熱／加圧時において接着部材１７の流動性が高くなり、半導体モジュール１０の側部１０ｓまで接着部材１７が達するようにできる。この変形例１の構造によれば、絶縁樹脂シート１４にかかる応力をさらに低減させることができる。

＜変形例２＞
図３（ｂ）に、変形例２による半導体装置３の構造断面図を示す。この変形例２による半導体装置３では、半導体モジュール１０の放熱面の樹脂部材１６上にスリット１６ａを形成している。スリット１６ａは、絶縁樹脂シート１４の側面１４ａから接着部材１７の内側側面１７ａまでの間に形成される。この変形例２の構造によれば、外部から半導体モジュール１０の端部に係る応力を緩和させることができる。

＜変形例３＞
図３（ｃ）に、変形例３による半導体装置４の構造断面図を示す。この変形例３による半導体装置４では、冷却器１５の一方表面上にスリット１５ａを形成している。スリット１５ａは、絶縁樹脂シート１４の側面１４ａに対向する位置から接着部材１７の内側側面１７ａに対向する位置までの間に形成される。この変形例３の構造によれば、外部から半導体モジュール１０の端部に係る応力を緩和させることができる。

＜変形例４＞
図３（ｄ）に、変形例４による半導体装置５の構造断面を示す。この変形例４による半導体装置５では、接着部材１７を設ける位置を、絶縁樹脂シート１４の側部１４ｓまで幅方向内側に広げている。この構造は、接着部材１７の粘度を絶縁樹脂シート１４の粘度よりも低くして、絶縁樹脂シート１４の厚みで半導体モジュール１０と冷却器１５との間隔が定まるようにすることで実現可能である。このようにすれば、製造工程の加熱／加圧時において接着部材１７の流動性が高くなり、絶縁樹脂シート１４の側面１４ｓまで接着部材１７が達するようにできる。この変形例４の構造によれば、接着部材１７と絶縁樹脂シート１４との間にあった空気層を、無くすまたは少なくすることができる。このため、絶縁樹脂シート１４の側面１４ｓへの水分の滲入を防止または抑制することができる。

＜変形例５＞
図４（ａ）に、変形例５による半導体装置６の構造断面を示す。この変形例５による半導体装置６では、冷却器１５の半導体モジュール１０が接合されていない表面に複数の冷却フィン１５ｆを設けている。この変形例５の構造によれば、冷却器１５の冷却性能が向上する。

＜変形例６＞
図４（ｂ）に、変形例６による半導体装置７の構造断面を示す。この変形例６による半導体装置７では、絶縁樹脂シート１４の側面１４ｓの位置を放熱板１３の側面１３ｓの位置よりも幅方向内側に設けている。そして、接着部材１７を設ける位置を、絶縁樹脂シート１４の側部１４ｓまで幅方向内側に広げている。つまり、接着部材１７が放熱板１３の側面１３ｓの位置まで設けられている。この変形例６の構造によれば、放熱板１３の端部にかかる応力を接着部材１７によって吸収することができる。

＜変形例７＞
図４（ｃ）に、変形例７による半導体装置８の構造断面図を示す。この変形例７による半導体装置８は、半導体素子１２の一方主面にだけ、放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、接着部材１７、および冷却器１５を設けた構造である。また、冷却器１５の半導体モジュール１０が接合されていない表面には、複数の冷却フィン１５ｆが設けられている。この変形例７の構造によっても、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。よって、絶縁樹脂シート１４の冷熱耐久性を向上させることができる。

＜変形例８＞
図４（ｄ）に、変形例８による半導体装置９の構造断面図を示す。この変形例８による半導体装置９は、半導体素子１２の一方主面にだけ、放熱板１３、絶縁樹脂シート１４、接着部材１７、および冷却器１５を設けた構造を、ポッティング材２０を用いたポッティング加工で形成したものである。また、冷却器１５の半導体モジュール１０が接合されていない表面には、複数の冷却フィン１５ｆが設けられている。この変形例８の構造によっても、絶縁樹脂シート１４の剥離や破壊（クラックなど）が発生するおそれを低減できる。よって、絶縁樹脂シート１４の冷熱耐久性を向上させることができる。

本発明は、半導体素子を封止した半導体モジュールと、当該半導体素子を冷却する冷却器とを備えた半導体装置などに利用可能である。

１〜９ 半導体装置
１０ 半導体モジュール
１２ 半導体素子
１３ 放熱板（放熱部材）
１４ 絶縁樹脂シート
１５ 冷却器（ヒートシンク）
１５ｆ 冷却フィン
１５ａ、１６ａ スリット
１６ 樹脂部材
１７ 接着部材
２０ ポッティング材

Claims (1)

1. 半導体装置であって、
   少なくとも１つの主面に放熱部材が接合された半導体素子を、当該放熱部材の一部を露出させて封止した半導体モジュールと、
   前記放熱部材の露出部を含む前記半導体モジュールの放熱面に、一方表面が接合される絶縁樹脂シートと、
   前記絶縁樹脂シートの前記半導体モジュールが接合されていない他方表面に接合される冷却器とを備え、
   前記絶縁樹脂シートの側面の外側、かつ、前記半導体モジュールの放熱面と前記冷却器との間に、前記絶縁樹脂シートよりもヤング率が低い接着部材が設けられていることを特徴とする、半導体装置。

Images